Лекции-3.8,9(92)

1. Лекция № 8 АТОМНОЕ ЯДРО. РАДИОАКТИВНОСТЬ. ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР

1

2. ВОПРОСЫ 27. Атомное ядро. Нуклоны. Характеристики протонов и нейтронов. Размер ядра. 28. Модели ядра. Энергия связи ядра.

Удельная энергия связи.
2

3. 29. Радиоактивность. Закон полураспада. 30. Альфа-распад, бета-распад, гамма-излучение. 31. Деление ядер. Тепловые и медленные

нейтроны.
Термоядерный синтез.
3

4.

4

5. 27. Атомное ядро. Нуклоны. Характеристики протонов и нейтронов. Размер ядра.

5

6.

6

7. Ядро атома состоит из нуклонов: протонов и нейтронов. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом А. Число протонов в

ядре
равно порядковому номеру в
системе элементов Менделеева Z
(числу протонов в ядре или числу
электронов в атоме), число
нейтронов N = A Z. Ядро
A
обозначают символом Z X
7

8. Ядра имеют несколько изотопов, которые характеризуются одним и тем же порядковым номером Z, но различными А и N. Если А

одинаково, Z – разные, то
ядра называются изобары,
Если N одинаково, Z – разные, то
ядра называются изотоны.
8

9. Масса электрона me = 9,1095 · 10– 31 кг = 511 кэВ, Масса протона mp = 1836,15 me = 938,3 МэВ, Масса нейтрона mn = 1838,68 me =

939,6 МэВ.
Е = с2 me = 2,992 · 1016 · 9,1095 · 10– 31
: 1,602 · 10–19 = 511 кэВ.
9

10. Заряд электрона отрицательный, протона положительный, нейтрон электрического заряда не имеет. е = 1,602 · 10–19 Кл. Все эти

частицы обладают спином ½
и являются фермионами.
10

11. Ядра также характеризуются магнитным моментом. В СИ ядерный магнетон В единицах я магнитный момент протона p = 2,79 я;

Ядра также характеризуются
магнитным моментом. В СИ ядерный
магнетон
eh
μя
4πm p
В единицах я магнитный момент
протона p = 2,79 я;
нейтрона n = 1,91 я, т. е.
магнитный момент нейтрона
ориентирован против его спина.
11

12. Ядро характеризуют барионным зарядом В. К барионами относится группа элементарных частиц с полуцелым спином и массой не меньше

массы протона, т. е. это
протон, нейтрон, гипероны, часть
резонансов и “очарованных” частиц и
др. Барионный заряд протона В = 1,
нейтрона В = 0.
12

13. Размеры ядер зависят от числа нуклонов в ядре: как у всякой квантовой системы у атомного ядра нет четко выраженной границы.

3A
Эффективный радиус ядра R = a ,
где а = 1,12 10 15 м = const и близка к
радиусу действия ядерных сил r0,
зависит от того, в каких физических
явлениях измеряется размер ядра.
13

14. Размеры протона и нейтрона примерно одинаковы и равны 7,8  1015 м. Размер электрона 1019 м. Плотность вещества в нуклоне  

Размеры протона и нейтрона
примерно одинаковы и равны
7,8 10 15 м.
Размер электрона 10 19 м.
Плотность вещества в нуклоне
7,5 1017 кг/м3.
Время жизни протона t 1032 лет.
Время жизни нейтрона в свободном
состоянии t 11,7 минут; в ядре он
стабилен.
14

15.

15

16. 28. Модели ядра. Энергия связи ядра. Удельная энергия связи.

16

17. Модели ядра 1) Капельная модель (Френкель, Бор) – как и в капельке, силы в ядрах короткодействующие, ядра почти несжимаемы.

17

18. 2) Оболочечная модель (Мария Гёпперт-Майер). В этой модели нуклоны движутся независимо друг от друга в усреднённом

центральносимметричном поле.
Нуклоны распределяются по
дискретным энергетическим
уровням, согласно принципу Паули.
18

19. Уровни группируются в оболочки. Полностью заполненная оболочка образует особо устойчивое образование. В соответствие с опытом

особо устойчивыми
оказываются ядра, у которых число
протонов, либо число нейтронов,
либо оба числа равны
2, 8, 20, 28, 50, 82. 126.
19

20. Эти числа называются магическими. Ядра с таким числом – магические. Дважды магические ядра (особоустойчивые) 24He (Z = N = 2),

Эти числа называются магическими.
Ядра с таким числом – магические.
Дважды магические ядра
(особоустойчивые)
4He (Z = N = 2),
2
16O (Z = N = 8),
8
40Ca (Z = N = 20),
20
48Ca (Z = 20, N = 28),
20
208Pb (Z = 82, N = 126).
82
20

21. Энергия связи Энергия связи ядра Wсв  энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составные части

Энергия связи
Энергия связи ядра Wсв энергия,
которую необходимо затратить,
чтобы разделить ядро на составные
части (нуклоны).
Она равна разности суммарной
массы входящих в него нуклонов и
массы ядра, умноженной на скорость
света в квадрате (с2),
Wсв = [Zmp + (A Z)mn mя]с2.
21

22. Как видно, масса ядра не равна сумме масс, образующих ядро нуклонов, что и называют дефектом масс, т. е. m = Zmp + (A  Z)mn 

Как видно, масса ядра не равна
сумме масс,
образующих ядро нуклонов,
что и называют дефектом масс, т. е.
m = Zmp + (A Z)mn mя.
22

23. Причиной этого является сильное взаимодействие нуклонов в ядре. Поэтому из-за этого взаимодействия на полное разрушение ядра с

освобождением из него всех
нуклонов необходимо затратить
энергию, равную энергия связи ядра,
которая является отрицательной, так
как при образовании ядра из
свободных нуклонов энергия
выделяется.
23

24. Энергия связи ядра пропорциональна числу нуклонов в ядре и характеризуется удельной энергией связи w, т. е. энергией связи,

приходящейся на один
нуклон:
w = W/A.
Удельная энергия связи ядер
составляет w = 6 8 МэВ.
24

25.

25

26.

26

27. Удельная энергии связи мало меняется при переходе от ядра к ядру и равна  8 МэВ. Удельная энергия связи имеет максимум при А =

Удельная энергии связи мало
меняется при переходе от ядра к
ядру и равна 8 МэВ.
Удельная энергия связи имеет
максимум при А = 56 (ядро железа).
Этот максимум составляет
8,8 МэВ.
27

28.

28

29. 29. Радиоактивность. Закон полураспада.

29

30. Радиоактивность Способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием частиц называют

радиоактивностью.
30

31. Естественная радиоактивность открыта Беккерелем в 1896 г. Существует около 300 природных, радиоактивных ядер. Искусственная

радиоактивность
впервые наблюдалась в 1934 г Ирен
и Фредериком Жолио-Кюри.
31

32. Как всякий квантовый процесс, радиоактивность – явление статистическое и характеризуется вероятностью протекания в единицу

времени, т.е. постоянной распада .
Если взять большое число N
радиоактивных ядер, то за единицу
времени из них распадается в
среднем N ядер.
32

33. Это произведение характеризует интенсивность излучения радиоактивного вещества, содержащего N радиоактивных ядер; его называют

активностью, т. е.
a a0e
λt
где а0 = N начальная активность.
33

34. В СИ единицей активности является распад в секунду (расп/с). Используется также внесистемная единица кюри (Кu): 1 Кu = 3,71010

В СИ единицей активности является
распад в секунду (расп/с).
Используется также внесистемная
единица кюри (Кu):
1 Кu = 3,7 1010 расп/с
или внесистемная единица
активности резерфорд (Рд):
1 Рд = 106 расп/с.
34

35. Закон полураспада: здесь число радиоактивных ядер N в момент времени t, N0  число радиоактивных ядер в момент времени t = 0, Т

Закон полураспада:
N N 0e
λt
t T
N0 2
здесь число радиоактивных ядер N в
момент времени t, N0 число
радиоактивных ядер в момент
времени t = 0, Т – время, за которое
число радиоактивных ядер
уменьшается вдвое, Т = ln2/ .
35

36.

36

37. Среднее время жизни радиоактивных ядер

dN
1
T
λt
τ t
λ te dt
N
λ
ln
2
0
0
0
37

38.

38

39. 30. Альфа-распад, бета-распад, гамма-излучение.

39

40. К радиоактивным превращениям относятся: распад, распад [с испусканием электрона (распад), с испусканием позитрона

К радиоактивным превращениям
относятся: распад, распад [с
испусканием электрона ( распад),
с испусканием позитрона ( + распад)
и К захват (захват ядром
орбитального электрона)], а также
спонтанное деление атомных ядер,
протонный и двухпротонный
распады и др.
40

41. Радиоактивность часто сопровождается излучением, возникающим в результате переходов между различными квантовыми состояниями

Радиоактивность часто
сопровождается излучением,
возникающим в результате
переходов между различными
квантовыми состояниями одного и
того же материнского ядра.
41

42. Испускание радиоактивным ядром частицы (ядро изотопа гелия) называют -распадом. Масса частицы m = 6,644  1027 кг,

Испускание радиоактивным ядром
частицы (ядро изотопа гелия)
называют -распадом. Масса
частицы m = 6,644 10 27 кг,
содержит два протона и два
нейтрона. Спин и магнитный момент
равняются нулю. Энергия связи
Wсв = 28,11 МэВ. Опытным путем
установлено, что частицы
испускаются только тяжелыми
ядрами с Z 82.
42

43. При распаде массовое число А радиоактивного ядра уменьшается на четыре единицы, а заряд Z  на две (правило Содди и Фаянса):

При распаде массовое число А
радиоактивного ядра уменьшается
на четыре единицы, а заряд Z на
две (правило Содди и Фаянса):
A
4
A 4
Z
2
Z 2
A
где Z X исходное (материнское)
A 4
радиоактивное ядро; Z 2Y новое
(дочернее) радиоактивное ядро.
X He
Y
43

44. Время жизни радиоактивных ядер лежит в пределах от 3107 с (например,  изотоп свинца) до 1017 лет (например,  изотоп

Время жизни радиоактивных ядер
лежит в пределах от 3 10 7 с
204
(например, 82 Pb изотоп свинца) до
212
17
10 лет (например, 94 Po изотоп
полония). Кинетическая энергия
вылетевших из ядра частиц
изменяется от 1,83 МэВ до 11,65
Мэв. Пробег частиц с типичной
кинетической энергией Wk = 6 МэВ
составляет в воздухе 5 см, а в
алюминии 0,05 мм.
44

45. Бетаминусраспад  самопроизвольный процесс, в котором нестабильное ядро превращается в ядроизобару . Например, при

Бета минус распад
самопроизвольный процесс, в
A
котором нестабильное ядро Z X
превращается в ядро изобару
A
распаде
У
.
Например,
при
Z 1
нейтрон превращается в протон с
испусканием антинейтрино
(электронное):
1
0
n p e e
1
1
0
1
45

46. Бетаплюс-распад  самопроизвольный процесс, в котором нестабильное ядро превращается в ядроизобар и сопровождается, например,

Бета плюс-распад
самопроизвольный процесс, в
A
котором нестабильное ядро Z X
превращается в ядро изобар Z 1A У и
сопровождается, например,
превращением протона в нейтрон с
испусканием позитрона и нейтрино
(электронное):
1
1
p n e e
1
0
0
1
46

47. Кзахват (электронный захват)  процесс, в котором ядро поглощает один из электронов электронной оболочки атома. Обычно

К захват (электронный захват)
процесс, в котором ядро поглощает
один из электронов электронной
оболочки атома. Обычно электрон
захватывается из К слоя, L слоя и т.
д. (К , L слои и т. д. – так называют
электронные слои в атоме).
Электронный захват всегда
сопровождается характеристическим
рентгеновским излучением.
47

48. Примером Кзахвата может служить распад изотопа бериллия

Примером К захвата может служить
распад изотопа бериллия
7
4
K
7
Be
3 Li
53,6 дня
48

49. Бета-радиоактивные ядра (β-распад) с избыточным числом протонов (испускание позитрона) или нейтронов (испускание электронов). Z

β-стабильные ядра
N
49

50.

50

51. 31. Деление ядер. Тепловые и медленные нейтроны. Термоядерный синтез.

51

52. Деление ядер При действии облучения нейтронами ядро урана делится. При делении ядер урана образуется около 809 различных

осколков, наиболее
вероятным является деление на
осколки массы которых относятся как
2:3.
52

53. Тепловые нейтроны – это нейтроны, находящиеся в тепловом равновесии с атомами вещества. Их энергия равна примерно 0,025 эВ.

Быстрые нейтроны – это нейтроны с
энергией более 1МэВ.
53

54. Цепная ядерная реакция – это реакция, в которой появившийся нейтрон в результате деления материнского ядра, приводит к

последующему делению с
появлением нового нейтрона.
54

55.

55

56.

56

57. При делении освобождается или 2 или 3 нейтрона (50% на 50% – или, говорят так, 2,5 нейтрона). Большинство испускается мгновенно

(t < 10–14 c), часть с опозданием
(t = 0,05 с – 1 мин).
57

58. Ядра U235 и Pu239 делятся любыми нейтронами, но лучше медленными. Ядра U238 делятся только быстрыми нейтронами. Если энергия

меньше, чем 1 МэВ, то происходит
радиационный захват.
58

59. Цепную ядерную реакцию используют в ядерных бомбах и ядерных реакторах. Для бомбы берут чистый U235 или Pu239. В реакторе

природный уран
99,27% U238,
0,72% U235,
0,01% U234.
59

60. Чтобы уран U238 не захватывал нейтроны и не тормозил реакцию, нейтроны замедляют до тепловых скоростей. Тепловы нейтроны лучше

захватываются U235, чем U238. Для
замедления используют D, C, Be.
60

61.

61

62.

62

63.

63

64.

64

65.

65

66. Термоядерный синтез легких элементов Термоядерные реакции – реакции слияния (синтеза) легких ядер, протекающие при высоких

температурах ( 109 К и выше).
66

67.

67

68.

68

69. Высокие температуры, т. е. большие относительные энергии сталкивающихся ядер, необходимы для преодоления кулоновского

отталкивания. Без этого невозможно
сближение ядер на расстояние
порядка радиуса действия ядерных
сил.
69

70. В природных условиях термоядерные реакции протекают в недрах звезд. Для осуществления термоядерной реакции в земных условиях

необходимо сильно
разогреть вещество либо ядерным
взрывом, либо мощным газовым
разрядом, либо импульсом
лазерного излучения большой
мощности и др.
70

71. Благодаря случайному распределению частиц по скоростям (распределение Максвелла), всегда есть частицы с энергией много большей,

чем средняя. Также
возможен туннельный эффект.
Поэтому термоядерные реакции
могут быть при 107 К.
71

72. В настоящее время удалось осуществить слияние двух дейтронов: МэВ и синтез тритона и дейтрона МэВ. В последней реакции

В настоящее время удалось
осуществить слияние двух
дейтронов:
2
2
3
1
1 H 1H 2 He 0 n 3,3 МэВ
и синтез тритона и дейтрона
2
3
4
1
1 H 1H 2 He 0 n 17,6 МэВ.
В последней реакции энергетический
выход 3,5 МэВ на нуклон. При
делении ядер урана 0,85 МэВ на
нуклон.
72

73.

73

74. Лекция № 9 ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

74

75. ВОПРОСЫ 32. Элементарные частицы. Типы взаимодействия. Классификация частиц: по спину, по времени, по массе. Античастицы. 33.

Кварки. Цвета кварков.
Глюоны. Законы сохранения.
75

76.

76

77. 32. Элементарные частицы. Типы взаимодействия. Классификация частиц: по спину, по времени, по массе. Античастицы.

77

78. Элементарные частицы это большая группа мельчайших микрочастиц, не являющихся атомами или атомными ядрами. Не известно, какие

частицы
действительно элементарными, да и
есть ли они в первоначальном
смысле этого слова.
78

79. В настоящее время известно более 350 элементарных частиц, у большинства из которых, кроме фотона и лептонов, обнаружена

внутренняя структура.
Анализ свойств частиц показал, что
существует четыре типа
фундаментальных взаимодействий:
сильное, электромагнитное, слабое и
гравитационное.
79

80. На данный момент элементарными частицами считаются: 1) лептоны (электроны, мюоны, таоны и им соответствующие нейтрино); 2)

кварки;
3) фотоны и промежуточные бозоны.
80

81. Сильное взаимодействие – связь нуклонов в ядре. Интенсивность: 1 (относительные единицы); Радиус действия R ≈ 10–15 м; Время

жизни t ≈ 10–23 с.
81

82. Электромагнитное взаимодействие. Интенсивность: 10–3 ; Радиус действия R ≈ ∞; Время жизни t ≈ 10–16 с.

82

83. Слабое взаимодействие – распады элементарных частиц. Интенсивность: 10–14; Радиус действия R ≈ 10–15 м; Время жизни t ≈ 10–8 с.

83

84. Гравитационное взаимодействие – для всех частиц, но в процессах микромира ощутимой роли не играет. Интенсивность: 10–39; Радиус

действия R ≈ ∞;
Время жизни - ?.
84

85. Классификация частиц. По спину: 1) Бозоны – частицы с целым спином (гравитоны (2), фотон (1), промежуточный векторный бозон

(1),
глюоны (1), мезоны и мезонные
резонансы и их античастицы).
2) Фермионы – частицы с полуцелым
спином (лептоны, барионы, кварки и
их античастицы).
85

86. По времени жизни: Резонансные частицы (резонансы) t ≈ 10–23 с; Квазистабильные t ≈ 10–20 с; Стабильные видимо фотон, электрон,

протон (?),
нейтрино, и их античастицы.
86

87. По массе: Лептоны (греч. – лёгкие); Мезоны и барионы – адроны (греч. – тяжёлые).

87

88. Античастицы – частицы, у которых некоторые характеристики совпадают с характеристиками частицы (масса, спин, изотопические

спины, время жизни), прочие
характеристики равны по модулю, но
противоположны по знаку
(электрический заряд, магнитный
момент, лептонные и барионные
заряды, странность, очарование,
красота).
88

89. Если частица совпадает с античастицей, то она называется истинно нейтральной (фотон, пи-ноль-мезон, эта-ноль-мезон). Только у

Если частица совпадает с
античастицей, то она называется
истинно нейтральной (фотон, пиноль-мезон, эта-ноль-мезон).
Только у электрона его античастица
имеет название – позитрон. Все
остальные называются как частица,
но с приставкой «анти».
Античастица обозначается тем же
символом, что и частица, но с
чертой.
89

90.

90

91. 33. Кварки. Цвета кварков. Глюоны. Законы сохранения.

91

92. Кварки – элементарные микроскопические частицы, входят в состав всех адронов. К настоящему времени известны кварки: u

(верхний), d (нижний), s (странный), c
(очарованный), b (красивый) и t
(истинный) (?).
Кварки различаются значениями
квантовых чисел, массами и т. д.
Кварки u, c, t имеют заряд +2/3;
кварки d, s, b – заряд –1/3.
92

93. Каждый тип кварка предоставлен тремя разновидностями, у которых квантовые числа и масса одинаковы, но различаются цветом –

красный,
зелёный, голубой (RGB). Смесь их
бесцветна.
93

94. Каждый барион состоит из трех кварков, каждый мезон – из кварка и антикварка. Например, протон: = (uud), нейтрон: = (udd),

Каждый барион состоит из трех
кварков, каждый мезон – из кварка и
антикварка.
Например,
1
протон: 1 p = (uud),
1
нейтрон: 0 n = (udd),
плюс мезон: +=(ud).
94

95. Свободные кварки не обнаруживаются, поэтому предполагают, что их удерживают достаточно большие силы. Глюоны – частицы,

осуществляющие
сильные взаимодействия (связь
между кварками). Обмен глюонами
между кварками меняет их цвет, но
оставляет неизменными все
остальные квантовые числа.
95

96. Законы сохранения В макроскопической физике законы сохранения являются следствиями динамических законов, так что в принципе

можно обойтись и без
законов сохранения.
В микромире законы сохранения
приобретают новую особенность, не
свойственную аналогичным законам
в макромире.
96

97. Например, если на пути шара, катящегося по горизонтальной плоскости, поставить достаточно высокий барьер, для преодоления

которого энергии шара
недостаточно, то по классическим
законам шар не может оказаться по
другую сторону барьера, хотя это и
не противоречит закону сохранения
энергии и другим законам
сохранения.
97

98. Подобных барьеров запретов не существует в области микромира, поскольку там действуют квантовые законы. В микромире все явления

должны происходить обязательно,
если только они удовлетворяют всем
законам сохранения. Вероятность
явления может быть очень мала, но
оно рано или поздно произойдёт,
если только при этом будут
соблюдены все законы сохранения.
98

99. Точные законы сохранения, выполняющиеся при любых взаимодействиях: сохранения энергии, импульса, момента импульса,

электрического
заряда, барионного заряда и трёх
лептонных зарядов.
99

100. Законы сохранения, выполняющиеся не при всех взаимодействиях: странности, очарования, красоты, изотопического спина и некоторые

другие.
100

101.

101